JP6894104B2

JP6894104B2 - Ｉｃタグ及びこれを用いた複合型ｉｃカード

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Publication number: JP6894104B2
Application number: JP2017218038A
Authority: JP
Inventors: 勝海 ▲高▼木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2037-11-13
Also published as: JP2019091137A

Description

ＵＨＦ帯通信用のＩＣタグと、ＵＨＦ帯通信及びＨＦ帯通信が可能な複合型ＩＣカードに関する。

従来、特許文献１に開示されているように、ＨＦ帯通信を行うループ状のコイルが設けられた第１のインレットと、ＵＨＦ帯通信を行うアンテナが設けられた第２のインレットとを組み合わせた複合型のＩＣタグがあった。第１のインレットは、例えば樹脂製の外装材に内蔵されてＩＣカードの形態になっており、第２のインレットがＩＣカードの片方の面に貼着され、アンテナがコイルに対して所定の角度で交差して配置され、アンテナとコイルが互いに静電結合及び電磁結合している。アンテナとコイルをこのように配置することによって、コイルが行うＨＦ帯通信とアンテナが行うＵＨＦ通信との相互干渉が抑えられている。また、ＵＨＦ帯通信においては、コイルが実質的にアンテナの一部として動作しており、アンテナとコイルの静電結合及び電磁結合の強さを調節することによって、ＵＨＦ帯の通信特性を設定することができる（共振周波数、インピーダンス整合等）。

特開２００７−３２４６３８号公報

特許文献１の複合型のＩＣタグの場合、アンテナとコイルの位置関係を変更することによってＵＨＦ帯の通信特性を可変できるが、単純に位置関係を変更するだけなので、可変できる幅が狭い。また、この複合型のＩＣタグは、市販のＩＣカードに第２のインレットを貼り付けることによって製作することができるが、市販のＩＣカードは、メーカ毎にコイルのレイアウト（大きさ、形状、配置等）が異なるので、ＵＨＦ帯において一定の通信特性を実現するためには、ＩＣカード毎にアンテナの形状を変更しなければならず、第２のインレットを設計するのに非常に手間が掛かる。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、アンテナの形状を変更しなくてもＵＨＦ帯の通信特性を容易に可変調節できるＩＣタグ、及びこれを用いた高性能の複合型ＩＣカードを提供することを目的とする。

本発明は、ループ状に形成されたコイルを内蔵し、このコイルを通じて電磁誘導方式のＨＦ帯通信を行うＩＣカードの片方の面に貼着して使用されるＩＣタグであって、前記ＩＣカードの外形に収まる大きさの基材の上面に、電波方式のＵＨＦ帯通信を行うアンテナと容量板とが並設され、前記容量板は前記アンテナに静電結合し、この静電結合の強さを調節することによってＵＨＦ帯の通信特性が設定されているＩＣタグである。

前記アンテナと前記容量板との離間距離が５〜５０ｍｍの範囲に設定されている。また、前記基材は、２つ以上の直線状の端縁部を有し、四角形の前記ＩＣカードに貼着された状態で、少なくとも２つの前記直線状の端縁部が、前記ＩＣカードの外形の２辺に沿うように配置されることが好ましい
また、本発明は、前記ＩＣタグと、片方の面に前記ＩＣタグが貼着された前記ＩＣカードとで構成され、前記コイルは、前記アンテナに電磁結合及び静電結合するとともに前記容量板に静電結合し、各結合の強さを調節することによって前記ＵＨＦ帯の通信特性が設定されている複合型ＩＣカードである。

さらに、本発明は、カード状に形成された外装材の内部に、電磁誘導方式のＨＦ帯通信を行うループ状のコイルと、電波方式のＵＨＦ帯通信を行うアンテナと、容量板とが設けられ、前記コイルが前記アンテナに電磁結合及び静電結合し、前記容量板が前記コイル及び前記アンテナに静電結合し、各結合の強さは、前記ＵＨＦ帯の通信特性により所定の値に設定されている複合型ＩＣカードである。

本発明のＩＣタグは、アンテナの近傍に容量板を並設するという独特な構成により、アンテナの形状を変更しなくても、ＵＨＦ帯の通信特性を大きく可変することができる。

本発明の複合型ＩＣカードは、ＨＦ帯とＵＨＦ帯の２つの周波数帯で通信が可能であり、上記のＩＣタグと市販のＩＣカードを組み合わせることによって容易に製作することができる。しかも、ＩＣカード内のコイルのレイアウトがメーカ毎に多少異なっても、ＩＣタグのアンテナの形状を変更せずに、容量板のレイアウトを変更するだけで、ＵＨＦ帯における所定の通信特性を実現することができる。また、ＵＨＦ帯通信とＨＦ帯通信の相互干渉も小さく抑えることができる。

また、本発明の複合型ＩＣカードは、カード状に形成された外装材の内部に、ＨＦ帯通信を行うループ状のコイルと、ＵＨＦ帯通信を行うアンテナと、容量板とを設置する構成にしてもよい。この構造により、例えば、ＨＦ帯通信モジュールを変更する際に、上記と同様に、そのアンテナの形状を変更しなくても、ＵＨＦ帯の通信特性を容易に調節することができる。

本発明の複合型ＩＣカードの一実施形態の外観を示す斜視図（ａ）、分解斜視図（ｂ）である。この実施形態の複合型ＩＣカードを構成するＩＣカードの内部構造を示す平面図である。この実施形態の複合型ＩＣカードを構成するＩＣタグ（本発明のＩＣタグの一実施形態）の内部構造を示す平面図（ａ）、分解斜視図（ｂ）である。図２（ａ）と図３（ａ）を重ねた平面図である。この実施形態の複合型ＩＣカードの４種類の試作品の構成を示す図表である。試作品のＵＨＦ帯の通信特性の測定方法を示す図である。試作品のＵＨＦ帯の通信特性の測定結果を示すグラフ（ａ）〜（ｄ）である。

以下、本発明のＩＣタグ及びこれを用いた複合型ＩＣカードの一実施形態について、図面に基づいて説明する。この実施形態の複合型ＩＣカード１０は、図１に示すように、ＩＣカード１２と、ＩＣカード１２の片方の面に貼着されたＩＣタグ１４とで構成されており、ＩＣタグ１４は、本発明のＩＣタグの一実施形態である。

ＩＣカード１２は、例えば乗車カードや個人認証カードとして広く普及している略四角形の非接触ＩＣカードである。外形寸法は、長手方向の寸法が約８５ｍｍ、短手方向の寸法が約５４ｍｍであり、合成樹脂等で形成された外装材１６の内部に、ＨＦ帯通信モジュール１８が内蔵されている。ＨＦ帯通信モジュール１８は、図２に示すように、ループ状に形成されたコイル２０と、コイル２０に接続されたＩＣチップ等の通信回路２２及びインピーダンス整合部２４とで構成され、コイル２０を通じて電磁誘導方式のＨＦ帯通信を行う。コイル２０は、外装材１６の周縁部を周回するようにレイアウトされ、通信回路２２及びインピーダンス整合部２４は、コイル２０の内側の、中央部から偏った位置に配置されている。

ＩＣタグ１４は、外形が略四角形で、長手方向の寸法はＩＣカード１２とほぼ同じ８５ｍｍで、短手方向の寸法はＩＣカード１２の約半分の２０ｍｍ前後である。そして図１に示すように、ＩＣタグ１４は、２つの短辺（２つの直線状の端縁部）が、ＩＣカード１２の２つの短辺（外形の２辺）に沿うように貼り付けられている。

ＩＣタグ１４は、図３に示すように、本体である基材２６と、基材２６の上面に配置されたＵＨＦ通信モジュール２８及び容量板３０と、通信モジュール２８及び容量板３０を覆う保護シート３２とで構成されている。

基材２６及び保護シート３２は、ポリエステルフィルム等の合成樹脂シートである。例えば、ＩＣカード１２の表示やデザインが見えるように、透明又は半透明な合成樹脂シートを使用してもよい。

ＵＨＦ通信モジュール２８は、合成樹脂シートで成る小形の補助基材３４、補助基材３４の上面に形成されたアンテナ３６と、内部に通信回路が形成されたＩＣチップ３８とで構成され、アンテナ３６を通じて電波方式のＵＨＦ帯通信を行う。

容量板３０は、例えばアルミニウム箔、導電性材料を混合した樹脂フィルム（例えば、透明導電性フィルム）等により形成される。容量板３０は、アンテナ３６の近傍に並設され、アンテナ３６に静電結合している。

ＩＣタグ１４は、基材２６上にＵＨＦ帯モジュール２８及び容量板３０を載置し、その上面に保護シート３２を貼着することによって形成される。したがって、保護シート３２を基材２６に貼り付ける作業を容易にするため、保護シート３２の裏面に粘着剤層を設けておくことが好ましい。同様に、基材２６の裏面にも粘着剤層を設けておけば、ＩＣタグ１４をＩＣカード１２に貼着する作業を容易にすることができる。

ＵＨＦ帯の通信特性の設定は（共振周波数、インピーダンス整合等）、アンテナ３６と容量板３０との静電結合の強さを調節することによって行う。静電結合の強さは、例えばアンテナ３６と容量板３０との離間距離を変更したり、容量板３０の形状や大きさを変更したりすることによって、アンテナ３６の形状を変更することなく、容易に調節することができる。

ＩＣタグ１４がＩＣカード１２の片方の面に貼着された状態、つまり複合型ＩＣタグ１０に組み立てられた状態では、図４に示すように、アンテナ３６及び容量板３０がコイル２０の内側にほぼ収まるように配置され、コイル２０の特定部分がアンテナ３６に電磁結合及び静電結合し、容量板３０に静電結合する。図４では、アンテナ３６及び容量板３０がコイル２０に重なっていないが、部分的に重なるように配置されてもよい。

複合型ＩＣカード１０の状態で、ＵＨＦ帯の通信特性は、コイル２０とアンテナ３６及び容量板３０との各結合の強さによって決定される。各結合の強さは、コイル２０とアンテナ３６及び容量板３０との相対的な位置関係を変更することによって調節することができる。

発明者は、実際に複合型ＩＣカード１０を試作して、ＵＨＦ帯の通信特性の評価を行った。ここでは、ＩＣカード１２としてＡ社製とＢ社製の２種類を用意し、これらをＣ社製のＵＨＦ帯通信モジュール２８と組み合わせることによって、図５に示す４種類の試作品を製作した。なお、Ａ社製のＩＣカード１２とＢ社製のＩＣカード１２は、機能はほぼ同じであるが、内蔵されているＨＦ帯通信モジュール１８（コイル２０、通信回路２２、インピーダンス整合部２４）のレイアウトが多少異なっている。

試作品１０(1)は、ＩＣカード１２がＡ社製で、容量板３０は、透明導電フィルム（表面抵抗５Ω／ｃｍ^２）を６ｍｍ×２３ｍｍの長方形に切り出したものを使用した。試作品１０(2)は、ＩＣカード１２がＡ社製で、容量板３０は、アルミニウム箔を６ｍｍ×２３ｍｍの長方形に切り出したものを使用した。試作品１０(3)は、ＩＣカード１２がＢ社製で、容量板３０は、透明導電フィルムを６ｍｍ×２３ｍｍの長方形に切り出したものを使用した。試作品１０(4)は、ＩＣカード１２がＢ社製で、容量板３０は、透明導電フィルムを１１ｍｍ×２３ｍｍの長方形に形成したものを使用した。試作品１０(1)〜１０(4)に共通の条件として、アンテナ３６は、ＩＣカード１２の外形を基準にしてすべて同じ位置に配置した。そして、容量板３０の位置を変化させた時（アンテナ３６と容量板３０との離間距離Ｄを変化させた時）のＵＨＦ帯の通信特性の変化を観測することにした。

ＵＨＦ帯の通信特性の測定方法は、図６に示すように、リーダライタ４２の出力を２８ｄＢｍ／９２０ＭＨｚに設定し、利得６ｄＢｉのリーダライタ・アンテナ４２ａを通じて電波を送出し、複合型ＩＣタグ１０からの反射波を受信して受信信号強度RSSIを測定した。リーダライタ・アンテナ４２ａから複合型ＩＣタグ１０までの距離Ｌは、２ｍと４ｍとした。

図７（ａ）〜（ｄ）のグラフは、リーダライタ４２による測定結果をパソコン４４に取り込んで作成したものである。グラフの横軸は、アンテナ３６と容量板３０との離間距離Ｄである。ただし、Ｄ＝０ｍｍのプロットは容量板３０が無い場合のデータである。グラフの縦軸は受信信号強度RSSImaxであり、複合型ＩＣカード１０の床からの高さを０〜１．８ｍの範囲で変化させた時の受信信号強度RSSIの最大値である。

まず、容量板３０の有無を比較すると、試作品１０(1)〜１０(4)はすべて、容量板３０が有る方が高い受信信号強度RSSImaxが観測されており、アンテナ３６の形状を変更しなくても、ＩＣタグ１４に容量板３０を設けるだけで通信性能が格段に向上していることが分かる。また、４つのグラフから、外形寸法が８５×５４ｍｍのＩＣカード１２を使用する場合は、離間距離Ｄを５〜５０ｍｍの範囲に設定するのが好ましいと言える。

次に、Ａ社製のＩＣカード１２を使用した場合とＢ社製のＩＣカード１２を使用した場合を比較する。ＩＣカード１２がＢ社製の場合、試作品１０(3)，１０(4)のグラフから分かるように、１１×２３ｍｍの容量板３０を使用した方が、Ｄ＝５〜２５ｍｍｍという広い範囲で高い受信信号強度RSSImaxが観測された。これに対して、ＩＣカード１２がＡ社製の場合、６×２３ｍｍの容量板３０でも十分高い受信信号強度RSSImaxが観測された。つまり、アンテナ３６とコイル２０と容量板３０の間の静電結合と電磁結合の強さを適切化するためには、Ｂ社製のＩＣカード１２に対しては、大形の容量板３０を使用するのが好ましく、Ａ社製のＩＣカード１２に対しては、小形の容量板３０でも問題なく調節できると考えられる。

この傾向の違いは、ＩＣカード１２内部のＨＦ帯通信モジュール１８（コイル２０、通信回路２２、インピーダンス整合部２４）のレイアウトが、Ａ社製とＢ社製で異なっているためである。つまり、容量板３０の設計を行うときは、相手方のＩＣカードに合わせてサイズや形状を決定することが重要である。さらに、容量板３０のサイズや形状が異なると、適切な離間距離Ｄも変化する点にも留意する必要がある。したがって、容量板３０のサイズ、形状、位置は、上記のような実験を行って決定するのが実践的であり効率的である。

その他、容量板３０の材料の違いに着目すると、透明導電フィルムを使用した試作品１０(1)の方が、アルミニウム箔を使用した試作品１０(2)よりも受信信号強度RSSImaxが高くなっている。つまり、容量板３０の抵抗値も通信特性に影響するので、容量板３０の材料を変更する時は、通信特性を再評価することが好ましい。

以上説明したように、ＩＣタグ１４は、アンテナ３６の近傍に容量板３０を並設するという独特な構成により、アンテナ３６の形状を変更しなくても、ＵＨＦ帯の通信特性を大きく可変することができる。

複合型ＩＣカード１０は、ＨＦ帯とＵＨＦ帯の２つの周波数帯で通信が可能であり、ＩＣタグ１４と市販のＩＣカード１２を組み合わせることによって容易に製作することができる。しかも、ＩＣカード１２内のコイル２０のレイアウトがメーカ毎に多少異なっていても、ＩＣタグ１４のアンテナ３６の形状を変更せずに、容量板３０のレイアウトを変更するだけで、ＵＨＦ帯における所定の通信特性を容易に実現することができる。また、ＵＨＦ帯通信とＨＦ帯通信の相互干渉も小さく抑えることができる。

また、ＩＣタグ１４は、本体である基材２６の外形が四角形であり、相手方のＩＣカード１２の外形も四角形であり、ＩＣタグ１４をＩＣカード１２に貼着する時は、基材２６の２つ短辺をＩＣカード１２の外形の２つの短辺に沿わせるようにして貼着すればよい。したがって、貼着する作業を効率よく行うことができ、しかもアンテナ３６及び容量板３０とコイル２０の位置合わせも高精度に行うことができる。なお、複合型ＩＣタグ１０は、短辺の長さ方向の位置合わせに関しては特別な考慮がされておらず、ほぼ中央部に貼着されればよいという構造になっている。これは、試作品１０(1)〜１０(4)を用いて評価した結果、短辺の長さ方向の位置合わせが多少ずれたとしても、通信性能に影響しないことが確認されたからである。しかし、短辺の長さ方向も高精度に位置合わせしなければならない場合は、例えば、基材２６の外形の互いに交差する２辺（２つの直線状の端縁部）を、ＩＣカード１２の対応する２辺に沿わせる構造にすればよい。あるいは、基材２６とＩＣカード１２を同じ外形にして、４辺をすべて沿わせる構造にしてもよい。

なお、本発明のＩＣタグ及び複合型ＩＣタグは、上記実施形態に限定されるものではない。図３（ａ）、（ｂ）に示すＩＣタグ１４の構造は一例であり、ＩＣタグの製造方法や相手方のＩＣカードの構造に合わせて適宜変更することができる。例えば、ＵＨＦ帯通信モジュール２８は、アンテナ３６等が補助基材３４上に形成されているが、補助基材３４を省略して基材２６上に直接形成してもよい。また、容量板３０の形状は長方形でなくてもよく、上記のような良好な通信性能が得られれば、正方形、小判形、円形、楕円形、その他の形状に変更することができる。

また、図４は、複合型ＩＣカード１０に組み立てられた時の、２つの通信モジュール１８，２８の位置関係を示しており、アンテナ３６がコイルの中央部からかなり偏った場所に配置され、容量板３０がコイル２０の中央部に配置されている。しかし、この位置関係は一例であり、良好な通信特性が得られるように自由に変更することができる。例えば、アンテナ３６とコイル２０の静電結合及び電磁結合を弱くしたいときは、アンテナ３６がコイル２０の中央部に配置されるように、ＩＣタグ１２内部のレイアウトを変更すればよい。また、容量板３０とコイル２０の静電結合を強くしたいときは、例えば、容量板３６がもっとコイルの近くに配置されるように、ＩＣタグ１２内部のレイアウトを変更すればよい。

その他、ＩＣカードは、ループ状に形成されたコイルを内蔵し、このコイルを通じて電磁誘導方式のＨＦ帯通信を行うものであればよく、用途は特に限定されない。

また、複合型ＩＣカードは、ＨＦ帯通信用のＩＣカード１０を製造する過程で、外装材１６の内部にＵＨＦ通信モジュール（アンテナ、ＩＣチップ）及び容量板を設置することによって製作してもよく、コイル、アンテナ及び容量板の間の各結合の強さを調節することによって、ＵＨＦ帯の通信特性を容易に設定することができる。

１０複合型ＩＣカード
１０(1)〜１０(4) 試作品，
１２ＩＣカード
１４ＩＣタグ
１６外装材
２０コイル
２６基材
３０容量板
３６アンテナ

Claims

ループ状に形成されたコイルを内蔵し、このコイルを通じて電磁誘導方式のＨＦ帯通信を行うＩＣカードの片方の面に貼着して使用されるＩＣタグであって、
前記ＩＣカードの外形に収まる大きさの基材の上面に、電波方式のＵＨＦ帯通信を行うアンテナと容量板とが並設され、
前記容量板は前記アンテナに静電結合し、この静電結合の強さを調節することによってＵＨＦ帯の通信特性が設定されている特徴とするＩＣタグ。
前記アンテナと前記容量板との離間距離が５〜５０ｍｍの範囲に設定されている請求項1記載のＩＣタグ。
前記基材は、２つ以上の直線状の端縁部を有し、
四角形の前記ＩＣカードに貼着された状態で、少なくとも２つの前記直線状の端縁部が、前記ＩＣカードの外形の２辺に沿うように配置される請求項１又は２記載のＩＣタグ。
請求項１乃至３のいずれか記載のＩＣタグと、片方の面に前記ＩＣタグが貼着された前記ＩＣカードとで構成され、
前記コイルは、前記アンテナに電磁結合及び静電結合するとともに前記容量板に静電結合し、各結合の強さを調節することによって前記ＵＨＦ帯の通信特性が設定されていることを特徴とする複合型ＩＣカード。
カード状に形成された外装材の内部に、電磁誘導方式のＨＦ帯通信を行うループ状のコイルと、電波方式のＵＨＦ帯通信を行うアンテナと、容量板とが設けられ、
前記コイルが前記アンテナに電磁結合及び静電結合し、前記容量板が前記コイル及び前記アンテナに静電結合し、各結合の強さを調節することによって前記ＵＨＦ帯の通信特性が設定されていることを特徴とする複合型ＩＣカード。